DE3621445A1 - Verfahren und vorrichtung zum foerdern eines gasfoermigen mediums, insbesondere zum aufladen von hubkolben-brennkraftmaschinen, wie dieselmotoren, ottomotoren u.a. - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum foerdern eines gasfoermigen mediums, insbesondere zum aufladen von hubkolben-brennkraftmaschinen, wie dieselmotoren, ottomotoren u.a.Info
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich
tung zum Durchführen dieses Verfahrens zum Fördern eines
gasförmigen Mediums, insbesondere zum Aufladen von Hubkolben-
Brennkrafmaschinen, wie Dieselmotoren, Ottomotoren u.a.,
wobei das Medium der Atmosphäre entnommen, einer Verdichtung
unterzogen und anschließend entsprechend vorgegebener Fülltak
te einer Vermischung mit einem Kraftstoff, wie auch einer
darauf folgenden Verbrennung mit diesem zugeführt wird, und
bei welchen Verfahren die Menge des pro Fülltakt der Vermischung
zuzuführenden Mediums von der Öffnungszeit einer vom Fülltakt
bestimmten und der Vermischung vorgeschalteten Einlaßphase,
insbesondere in Abhängigkeit eines Sollwertes, bestimmbar ist.
Es ist allgemein bekannt daß insbesondere Verbrennungsab
läufe zwischen gasförmigen Medien, wie Luft und fossilen
Brennstoffen, wie Benzinen, Dieselkraftstoffen, pflanzli
chen Ölen u.a., besonders dann mit einem hohen Wirkungsgrad
bei geringen Schadstoffemissionen ablaufen, wenn zum einen
eine stöchiometrische Vermischung der zu verbrennenden Be
standteile vor deren Verbrennung vorgenommen wird und wenn
zum anderen für die Vermischung hohe kinetische Energien
der sich mischenden Medien aufgebaut werden, um den Misch
vorgang in einer möglichst sehr kurzen Zeitspanne durchfüh
ren zu können. Verbrennungsabläufe mit diesen Charakteristi
ken werden zwar überall, wo Verbrennungsvorgänge ablaufen
gefordert, sie sind aber vielfach unerläßlich bei solchen
Verbrennungsvorgängen, wie sie beispielsweise bei Hubkolben-
Brennfkraftmaschinen, wie Dieselmotoren, Ottomotoren u.a.,
mit kurzen Arbeitstakten zwischen Luftansaug, Vermischung,
Verbrennung und Ausschub der Brennrückstände, ablaufen.
Die zunehmende Verknappung, insbesondere fossiler Kraftstof
fe, einerseits und die zunehmende Belastung der Umwelt mit
Rückständen aus solchen Verbrennungen andererseits, zwingen
die Hersteller und Anwender von Brennkraftmaschinen, wie
Dieselmotoren, Ottomotoren u.a., der Optimierung des Verbren
nungsablaufes eine größere Bedeutung als bisher beizumessen.
Untersuchungen haben wiederholt bestätigt, daß Verbrennungs
abläufe solcher Art verbessert werden können, wenn die zu
verbrennenden Kraftstoff-Luftbestandteile vorher stöchiome
trisch vermischt und der Verbrennungsablauf, gegebenenfalls
mit geringem Luftüberschuß, in der Brennkammer ablaufen
könnte. Zu diesem Zweck ist es auch bekannt, der bzw. den
Brennkammern einer Brennkraftmaschine einen sogenannten Aufla
der zuzuordnen und die für den Verbrennungsvorgang erforder
liche Menge an gasförmigen Medium, z.B. atmosphärische Luft,
mittels dieses Aufladers in die Brennkammer einzubringen.
Bekannte Auflader dieser Art bedienen sich besonders ausge
legter Lüfterräder, die vielfach im Ansaugstrom einer Brenn
kraftmaschine vorgesehen und dort das zu verbrennende Me
dium, z.B. die Luft, von außen nach innen in die Brennkammer
fördern. Die Lüfterräder, die als Axial- oder Radialturbinen
ausgeführt sein können, sind im Förderstrom zur Brennkammer
so angebracht, daß sie möglichst verlustarm größere Gasvolu
mina fördern können. Zu diesem Zweck sind solche Axial
oder Radialturbinen mit Saug- und Druckstutzen, wie auch
einer Verdichtungszone versehen, so daß eine in diese ge
langene Gasmenge durch den Ansaugstutzen eintritt, in der
Verdichtungszone auf das geforderte Maß verdichtet und an
schließend über den Druckstutzen in den Ansaugstutzen der
Brennkammer gefördert wird, aus welchem Ansaugstutzen dieses
verdichtete Gas als Brenngas der Vermischung mit dem Kraft
stoff zugeführt wird.
Ein bekanntes und am weitesten verbreitetes Lüfterrad dieser
Art ist als sogenannter Abgasturbolader ausgeführt, und be
steht dabei aus zwei auf einer gleichen Welle sitzenden
Turbinen, von denen die eine der Förderung der für den Ver
brennungsablauf erforderlichen Gasmenge, z.B. Luft, und
die andere Turbine dem Antrieb dieser ersten Turbine dient.
Beide Turbinen sind in eigenen Gehäusen drehbar gelagert,
und es ist jedes Gehäuse mit jeweils einem eigenen Ansaug
und Druckstutzen versehen, wobei der Ansaug- und Druckstutzen
der treibenden Turbine mit dem Rohrsystem der Abgasabführung
und der Ansaug- und Druckstutzen der getriebenen Turbine
mit dem Rohrsystem der Gaszuführung zur Brennkraftmaschine
verbunden ist. Bei dieser Turbine wird die kinetische Ener
gie des Abgases für den Antrieb der getriebenen Turbine
ausgenutzt, so daß diese Turbine entsprechend der Drehzahl
der treibenden Turbine die benötigte Gasmenge bzw. Luft
menge in die Vermischung, d.h. Brennkammer, fördert.
Bei diesem System ist eine optimale Versorgung der Brenn
kammern mit Brenngas nur dann möglich, wenn nach Erreichen
der optimierten Drehzahl der getriebenen Turbine und deren
Füllmenge diese nicht mehr verändert werden. Diese Forderung
ist aber bei Brennkraftmaschinen mit sich ständig ändernden
Lastwechseln nicht erfüllbar, da mit jeder Änderung der Dreh
zahl der treibenden Turbine auch eine Änderung der Drehzahl
und damit auch eine Änderung der Füllmenge der getriebenen Tur
bine eintreten, was bewirkt, daß die getriebene Turbine stets
mit einer entsprechenden Verzögerung den Änderungen der trei
benden Turbine folgt. Solche Änderungen führen bei Brennkraft
maschinen, wie sie beispielsweise im Straßenverkehr, wo stän
dig Drehzahländerungen hingenommen werden müssen, verwendet
werden, zum chronischen Luftmangel in den unteren Drehzahl
bereichen und zu überhöhten Luftüberschüssen in den oberen
Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine, so daß diese Maschine
nur in einem ganz engen Drehzahlbereich eine ausreichende Luft
menge für den Verbrennungsablauf erhält. Diese Unzulänglichkei
ten in der Optimierung der der Verbrennung zuzuführenden Luft
menge, d.h. des Liefergrades, im unteren Drehzahlbereich führen
zu einer unvollständigen Vermischung und Verbrennung der Kraft
stoff-Luftgemische mit den bekannten Abgasemissionen, wie Ruß,
Schwarz- oder Blaurauch, erhhöhtem Kraftstoffverbrauch, gering
erer Leistung und giftigen Abgasen, wie Kohlenwasserstoffen (CH),
Kohlenmonoxid (CO), Stickoxyden (NO X ) u.a.m., und sie führen
im oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine wiederum
zu Luftüberschüssen, die eine Überhitzung des Materials der
Brennkammer und hier insbesondere deren Leichtmetallteile,
wie Zylinderkopf, Kolben u.a., bewirken. Die Überhitzung
dieser Materialteile führt auch zu einem erhöhten Ölverbrauch
als auch zu einer intensiveren Kühlung, die auf Kosten der
Wirtschaftlichkeit der Brennkraftmaschine gehen (vgl. "Auflade
gruppen" aus Dubbels Taschenbuch für den Maschinenbau, 2. Bd.
1966, S. 379).
Es ist ferner ein Auflader für Brennkraftmaschinen bekannt,
der nach Art eines Zellenrades ausgeführt ist und dessen
Zellen auf einer Walze angebracht sind, die von einem Gehäuse
mit Saug- und Druckstutzen umschlossen bleiben. Die einzel
nen Zellen sind konzentrisch um die Welle des Aufladers
angeordnet und zwischen sich so unterteilt, daß diese mit
deren Kammern parallel zur Welle verlaufen. Die Welle selbst
ist aus dem Gehäuse herausgeführt und über einen Riementrieb
am Abtrieb einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ange
schlossen. Die zum Gehäuse führenden Saug- und Druckstutzen
für Abgas und Frischluft sind an diesem überwiegend axial
angeschlossen, so daß das Abgas, welches in die Zellen ein
tritt, eine axial zur Zelle verlaufende Druckwelle erzeugt.
Diese Druckwelle bewegt sich durch die jeweilige Zelle so
lange, bis sie auf eine, in der gleichen Zelle sich befin
denden Frischluft stößt. Diese Frischluft, die durch den
Saugstutzen in die gleiche Zelle gelangt war, wird durch
das Abgas aus der Zelle in den Druckstutzen für Frischluft,
der wiederum mit dem Saugstutzen der Brennkraftmaschine
verbunden ist, verdrängt. Das Abgas, welches nach Verdrängen
der Frischluft aus der Zelle seine Energie überwiegend ver
loren hat, wird durch die neu in die gleiche Zelle einströ
mende Frischluft aus der Zelle in den Druckstutzen des Ab
gassystems verdrängt. Diese Spielwechsel von Ansaug von
Frischluft und Abgas und Auspressen derselben aus den Zel
len erfolgen im Rhytmus der Arbeitstakte der Brennkraftma
schinen und werden durch den direkten Antrieb der Welle über
die Riemenscheibe von der Kurbelwelle entsprechend unter
stützt. Zwar können mit einem solchen Lader einige Verbesse
rungen, insbesondere im unteren Drehzahlbereich der Brenn
kraftmaschine, in bezug auf deren Füllungsgrad durch den
direkten Antrieb der Welle des Laders mit der Kurbelwelle
erzielt werden, diese Vorteile gehen aber mit steigender
Drehzahl der Brennkraftmaschine schnell verloren, als es
nicht gelingt, in Kürze der Arbeitstakte der Brennkraft
maschine die ausreichenden Mengen an Frischluft den Zellen
zuzuführen, um sie aus diesen durch Einwirkung der Druckwel
len des Abgases in den Druckstutzen des Laders und von dort
wieder in die Brennkammer der Brennkraftmaschine zu pressen.
Doch selbst die Verbesserungen im unteren Drehzahlbereich
sind besonders in der Start- und Leerlaufphase der Brennkraft
maschine noch nicht ausreichend, als mangels ausreichender
Abgasmengen noch geringe Druckwellen aufgebaut werden kön
nen, die nicht ausreichen, eine genügend starke, kinetische
Energie der Frischluft zu verleihen, wie sie für einen opti
malen Mischvorgang und Verbrennungsablauf notwendig wäre.
Somit deckt dieses System auch nur einen sehr engen Bereich
der Aufladung einer Brennkraftmaschine ab und ist zudem
nicht geeignet, schnellen Lastwechseln der Brennkraftmaschine
mit entsprechend benötigten Liefergraden zu folgen (COMPREX,
Prospekt BBC-AG, Baden/Schweiz).
Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen des Ver
fahrens zu schaffen, mit denen die Aufladung einer Brenn
kraftmaschine unabhängig von deren Lastwechseln und Dreh
zahlen mit einer den jeweiligen Füllungsgrad des Verbren
nungsablaufes erforderlichen Gasmenge zu versorgen, und
diese Gasmenge zusätzlich nach einer Reihe von erfaßbaren
Parametern aufzubereiten, der Verbrennungsablauf mit einer
ausreichend hohen kinetischen Energie, wie sie für die stö
chiometrische Vermischung erforderlich erscheint, zuzuführen.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe verfahrensspezifisch
mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch ge
löst, daß
- a) vor Einführen einer der jeweiligen Vermischung erforder lichen Menge an Medium eine Erfassung und/oder Messung mindestens eines, in der Einlaßphase herrschenden Para meters vorgenommen wird.
- b) ein aus dieser Erfassung bzw. Messung ermittelter Wert einer elektronischen Prozeßerfassung und -regelung zuge führt wird, und ein dort erhaltenes, elektrisches Signal als Ausgangsgröße für eine Frequenz- und/oder Spannungs regelung dient.
- c) entsprechend der Größe dieses Signals eine elektrische Energieversorgung regelbar und diese Versorgung auf den erforderlichen Energiebedarf für die Förderung des Me diums ansteuerbar ist und
- d) der Energiebedarf für die Förderung des Mediums in Ab hängigkeit vom Fülltakt regelbar und auf das Maß der Aufbereitung des Mediums, entsprechend festgelegter Para meter, einstellbar ist.
Vorrichtungsspezifisch wird dieses Verfahren mit einer Vor
richtung, bestehend aus mindestens einer der Förderung und/
oder Verdichtung des Mediums dienenden und mit einem Antrieb
versehene Luftförderorgan z.B. Turbine, welches sowohl mit
einem Ansaug- als auch einem Druckstutzen für das Einführen
und Ausführen des Mediums ausgestattet und welches über
dessen Druckstutzen mit dem als Einlaßphase ausgebildeten
Ansaugstutzen einer in die Vermischung mündenden Kammer
verbunden ist, in der Weise gelöst, daß
- a) der Antrieb des Luftförderorgans als ein spannungs- und/ oder frequenzgesteuerter und/oder geregelter Motor aus geführt ist,
- b) dieser Motor des Luftförderorgans über einen spannungs und/oder frequenzgesteuerten Umformer mit elektrischer Energie versorgbar ist,
- c) für die elektrische Energieversorgung des Umformers ein frequenzvariabler Generator angeschaltet und dieser vom Verbrennungsmotor antreibbar ist,
- d) im Ansaugstutzen vor der in die Vermischung mündenden Kammer eine Meßsonde für die Erfassung mindestens eines Parameters vorgesehen ist, hingegen für die Erfassung weiterer Parameter zur Optimierung des Füllungsgrades der Verbrennungskammer, insbesondere entsprechend dem jeweiligen Fülltakt, weitere Signalaufnehmer, so etwa für Druck, Temperatur, Luftfeuchte, Luftdichte u.a., als weitere Sonden der Prozeßregelung zugeordnet sind.
Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen wird nicht nur die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe vorteilhaft gelöst,
sondern es wird eine Möglichkeit geschaffen, die Dosierung
einer der Verbrennung zuzuführenden Gasmenge nach einer
Reihe von erfaßbaren Parametern zu regeln. So kann beispiels
weise die Dosierung der für den Verbrennungsablauf erforder
lichen Gasmenge, d.h. der Ansaugeluft, nach deren Feuchte,
Dichte, Temperatur und anderen Eigenschaften, in deren Menge
und Konsistenz festgelegt werden, und es kann zudem, um eine
intensive Mischung der Verbrennungsluft mit dem in der
Brennkammer einzubringenden Krafstoff zu erreichen, diese
Verbrennungsluft mit einer solchen Geschwindigkeit in die Brenn
kammer eingebracht werden, daß durch eine entsprechende Tur
bolenz die einzelnen Luftbestandteile sich stöchiometrisch
zu mischen vermögen. Bei Brennkraftmaschinen, die einen hohen
Drall der Verbrennungsluft in der Brennkammer für den Mischef
fekt erfordern, kann die Geschwindigkeit der in die Brennkam
mer einströmende Verbrennungsluft so gesteigert werden, daß
mit Sicherheit innerhalb des Arbeitstaktes sowohl die Ver
mischung der Luftbestandteile mit dem Kraftstoff erfolgen
kann, als auch ein Luftpolster in der Brennkammer selbst,
selbst nach abgeschlossenem Verbrennungsablauf, noch erhal
halten bleibt, um etwaige schädliche Abgasmengen noch vor
Austritt in das Auspuffsystem zu neutralisieren. Damit läßt
sich mit einem solchen System die Brennkraftmaschine auch
mit einem Luftüberschuß in deren Brennkammer betreiben und
dies selbst im unteren Drehzahlbereich, wo die ausreichende
Luftmenge außerordentlich entscheidend ist für die Qaualität
der Abgase.
Ein weiterer, wesentlicher Vorteil dieser Erfindung kann
darin gesehen werden, daß die Vorrichtung optimal dem Ansaug
system der Brennkraftmaschine zugeordnet werden kann, weil
auf die Rohrführung der Abgasleitungen keine Rücksicht ge
nommen zu werden braucht. Darin kann ein weiterer Vorteil
insofern gesehen werden, als auch die in die Brennkammer einzu
bringende Verbrennungsluft an solchen Stellen in das System
eingesaugt wird, die von der Abgaswärme weit genug entfernt
sind, so daß eine Aufheizung dieser Verbrennungsluft vor
deren Einführung in die Brennkammer unterbleibt. Das Regel
verhalten der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann nach mehre
ren Erfordernissen ausgelegt werden, wodurch es möglich
wird, unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine, die
für die optimale Verbrennung erforderlichen Luftvolumina
aufzubauen, diese für die Verbrennung aufzubereiten und
letztlich diese Volumina der Verbrennung zuzuführen. Die
Prozeßregelung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mit einer
Reihe von Sonden bestückt werden, so daß die Werte einer
Vielzahl von Parametern der Optimierung des Verbrennungsab
laufes zufließen, und selbst unterschiedliche Qualitäten der
Kraftstoffe durch entsprechende mehr oder weniger große Zu
mischung an Verbrennungsluft vielfach ausgeglichen werden
können.
Die spannungs- und/oder frequenzabhängige Regelbarkeit des
Antriebes für die Förderung der entsprechenden Gasvolumina,
d.h. Regelung des Liefergrades an Verbrennungsluft für die
Brennkraftmaschine, läßt eine Regelung der Lutverhältnisse
nach mehreren Forderungen zu, so beispielsweise nach Druck
konstanz, Strömungsgeschwindigkeit in der Anlaßphase konstant,
Luftmenge konstant u.a.m. Damit lassen sich Brennkraftma
schinen stets in einem optimalen Leistungsbereich betreiben,
wodurch nicht nur erhöhte Leistungen gewonnen, sondern auch
geringere Kraftstoffverbräuche erzielt werden. Ein weiteres
und in Verbindung mit der Umwelt sicherlich wesentliches Kri
terium kann auch darin gesehen werden, daß durch die Steige
rung der Leistung der Brennkraftmaschine einerseits und die
Versorgung derselben mit der ausreichenden Luftmenge ande
rerseits, diese in einer geringeren Drehzahl als sonst üblich,
betrieben werden kann, wodurch eine Reihe von Emissionen,
wie Lärm, kritisches Schwingungsverhalten der Brennkraftma
schine u.a., unterbleiben. Durch die Erhöhung der effektiven
Leistung im Zuge der Optimierung des Verbrennungsablaufes ist
es auch möglich, das Leistungsgewicht der Brennkraftmaschine
zu reduzieren, was insbesondere im Fahrzeugbau eine sehr we
sentliche Rolle spielen kann.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung können
insbesondere den verbleibenden Unteransprüchen entnommen
werden.
In der Zeichnung ist eine der möglichen Ausführungen der
Erfindung schematisch dargestellt, Es zeigt:
Fig. 1 einen möglichen Aufbau einer Vorrichtung am Beispiel
deren Anschlusses an eine Hubkolben-Brennkraftmaschine,
Fig. 2 ein Diagramm möglicher Füllungsgrade der Brennkraft
maschine, wobei die Liefergrade unabhängig von der
Drehzahl der Brennkraftmaschine konstant gehalten
wurden,
Fig. 3 ein Diagramm möglicher Füllungsgrade der Brennkraft
maschine, wobei diese Liefergrade abhängig vom Fahr
verhalten der Brennkraftmaschine geregelt sind, und
in welchem Diagramm zum Vergleich der Füllungsgrad eines
herkömmlichen Abgasturboladers, als Kreuzlinie gekenn
zeichnet, eingetragen ist,
Fig. 4 ein Diagramm diverser bekannter Laderverläufe aufgetra
gen über Fahrgeschwindigkeit und Drehmomentanstieg
in Bezug auf Drehzahl der Brennkraftmaschine und eines
für diese möglichen Liefergrades gemäß der Erfindung,
wobei der mögliche, z.B. konstante Liefergrad, hier
strichpunktiert in diesem Diagramm eingezeichnet ist
und
Wie eingangs erwähnt, ist es bekannt und vielfach auch zwingend
notwendig, insbesondere Hubkolben-Brennkraftmaschinen 1,
wie Ottomotoren, Dieselmotoren u.a., mit Aufladern 2 auszu
rüsten, um mittels dieser die Motoren mit einer für deren
Leistungsanstieg erforderlichen Luftmenge zu versorgen. In
Abkehr von den bekannten Aufladern, die ganz oder teilweise
vom Abgas der Brennkraftmaschine 1 angetrieben werden, zeich
net sich der Auflader 2 gemäß der Erfindung dadurch aus, daß
dessen Luftförderorgan 7 z.B. eine Turbine ein Gebläse oder
ähnliches, genauer ausgedrückt, dessen luftverdichtendes Organ,
von einem elektrischen Motor 4, z.B. einem Dreh- oder Wechsel
strommotor, angetrieben wird, der seine Stromversorgung von
einem Generator 5, z.B. Drehstromgenerator, über einen von
diesem gespeisten Spannungs- und/oder frequenzumformer erhält.
Motor 4 ist dabei frequenz- und/oder spannungsregelbar ausge
führt, so daß der Motor mit einer wesentlich höheren Drehzahl
betrieben werden kann, als dies bei herkömmlichen, nicht fre
quenzbetriebenen Wechsel- bzw. Drehstrommotoren der Fall
ist. Dies bedeutet, daß der Motor 4, der mit dem Luftförder
organ 7 verbunden ist, unabhängig von einem vorhandenen Ab
gas der Brennkraftmaschine 1 betrieben werden kann. Der Ge
nerator 5 , d.h. der Drehstromgenerator, wiederum, der von
der Kurbelwelle 8 der Brennkraftmaschine 1 angetrieben wird,
erhält bereits beim Starten der Brennkraftmaschine seine Be
wegungsenergie, die je nach Drehzahl der Kurbelwelle 8 beim
Generator 5 sich in entsprechende Drehzahl umsetzt bzw. aus
wirkt. Durch die Kopplung von Generator 5 mit Umformer 11 b
und Motor 4 wird das Luftförderorgan 7 in Umdrehung gebracht,
so daß es auch unmittelbar nach Starten der Brennkraftma
schine 1 beginnt, eine Luftmenge in den zum Brennraum 9 der
Brennkraftmaschine 1 führende Ansaugstutzen 10 bzw. in die
Einlaßphase zu fördern. Im Umformer 11 b kann auch der Regler
11 a der Prozeßregelung 3 enthalten sein.
Da aber in der Regel die Drehzahl der Kurbelwelle 8 im Zeit
punkt des Starts und damit Teillastbereichs der Brennkraft
maschine 1 noch nicht ausreichend ist, um die für die Verbren
nung des eingebrachten Kraftstoffes erforderliche Luftmenge
zu fördern, wird der Motor 4 durch Änderung dessen Frequenz
und/oder Spannung in seiner Drehzahl hochgefahren,
wodurch das Luftförderorgan 7 z.B. ein Verdichter, beginnt
die erforderliche Luftmenge sofort dem Brennraum 9 zuzufüh
ren.
Um die Drehzahlregelung des Motors 4 entsprechend dem gefor
derten Liefergrad durchzuführen, ist dieser Motor an einer
Prozeßerfassung und -regelung 11 a angeschlossen, durch die
die notwendige Spannung und/oder Frequenz eingestellt wird.
Die Prozeßerfassung und -regelung 11 a wird dabei von einem
elektronischen Schaltkreis oder einem hierfür besonders prä
parierten Rechner gebildet, welcher über eine Reihe von Son
den 12 Signale, wie z.B. Luftdruck, Lufttemperatur, Luft
dichte, Drehzahl der Brennkraftmaschine, Kraftstoffqualität,
Gaspedalstellung u.a.m., erhält, die dann zum benötigten Aus
gangswert für die Regelung des Motors 4 verknüpft werden.
Das Umfunktionieren dieser über die Sonden 12 erfaßten Sig
nale geschieht in der Weise im Regler 11 a, daß sie mit einem
Sollwert, z.B. der idealen Fahrcharakteristik, verknüpft
werden, wodurch der erforderliche Regelwert für das Luftför
derorgan 7 und damit für die Optimierung der Luftmenge er
mittelt und dieser Wert als Stell-Regelgröße dem Umformer
11 b eingegeben wird. Auf Grund dieser Wertermittlung er
folgt dann die Regelung des Drehstromgenerators vom Umfor
mer 11 b eine entsprechende Spannungs- und/oder Frequenzver
sorgung des Motors 4, wodurch die Drehzahl und damit auch
Fördermenge des Luftförderorgans 7 z.B. des Verdichters, be
stimmt wird.
Die Prozeßerfassung und -regelung 11 a, und der Umformer 11 b
können sehr kompakt ausgeführt werden, so daß sie selbst im
Bordraum eines Fahrzeuges kaum Raumprobleme aufwerfen dürf
ten. Auch haben Untersuchungen ergeben, daß für die Optimie
rung des Verbrennungsablaufes es von Vorteil ist, wenn in al
len Lastbereichen der Brennkraftmaschine 1 ein gewisser Luft
überschuß 13 herrschen würde. Dieser Luftüberschuß 13 kann
aufgrund der Vorgabe des Sollwertes mittels der Regelung 11 a
eingehalten werden.
Wie der Fig. 1 entnommen werden kann, wirkt die Prozeßerfas
sung und -regelung 11 a über den Umformer 11 b auf den Motor
4 ein, wobei für die Erfassung der Signale die Sonde 12 am
Druckstutzen des Luftförderorgans 7, z.B. oder im Ansaugrohr
10 als auch anderswo an der Brennkraftmaschine 1, deren Um
feld oder außerhalb des Fahrzeuges angebracht sein können.
Die Anordnung solcher Sonden 12 hängt von den zu erfassenden
Signalen ab und ist dem Konstrukteur weitgehend überlassen.
In Fig. 2 ist dargestellt, daß mittels der erfindungsgemäßen
Aufladung 2 der Liefergrad bzw. der Füllungsgrad 17 für ver
schiedene Lastbereiche, d.h. ausgezogen, punktiert, strich
punktiert, z.B. konstant gehalten werden kann, so daß die
Brennkraftmaschine 1 stets die erforderliche Luftmenge, auch
unabhängig von der Drehzahl derselben, im Ansaugrohr 10 vorfin
den kann. Bei dieser Einstellung könnte sich auch ein Sammler
18 im Bereich der Brennräume 9 erübrigen.
Die Fig. 3 soll demonstrieren, daß es mit dem erfindungsge
mäßen Auflader 2 möglich ist, den Liefergrad 17 entsprechend
zu variieren, wobei dieser auch unabhängig von der Drehzahl
der Brennkraftmaschine 1 variiert werden könnte. Dies kann
beispielsweise dann der Fall sein, wenn die Konsistenz der
für die Verbrennung benötigten Luftmenge unterschiedlich, d.h.
zu trocken, zu feucht, zu warm oder zu kalt u.a. ist oder die
Kraftstoffqualität eine andere Luftmenge bzw. einen anderen
Füllungsgrad 17 für die Optimierung deren Verbrennung erfor
dert. Die in diesem Diagramm mit Kreuzen gekennzeichnete Li
nie demonstriert den Füllungsgradverlauf 19 herkömmlicher Ab
gasturbolader, wobei deutlich wird, daß diese im unteren Dreh
zahlbereich kaum Luft fördern, im oberem Drehzahlbereich aber
so viel, daß abgeblasen werden muß, vgl. schraffiertes Feld
20. Will man in diesem Diagramm für beispielsweise eine Kenn
linie 17 den tatsächlich benötigten Füllungsgrad 21 darstel
len, so könnte diese Linie, wie in dieser Figur als Strich
punkt angegeben, sich knapp unter der zugehörigen Kennlinie
17 (Luftüberschuß 13) bewegen.
Die Fig. 4 zeigt einige Möglichkeiten der Aufladung einer
Brennkraftmaschine 1 mit ca. 1,5 Liter Hubraum, jedoch mit
unterschiedlichen Abgasturboladern, nämlich Zellenrad (Comprex
22) und Abgas-Luftturbine 23 und der gleiche Lader 23 mit La
derluftkühlung 29. Aus diesem Diagramm wird deutlich, daß die
Liefergrade nebst Drehmomentanstiegen 24 gegenüber einem Saug
motor 28 im unteren Drehzahlbereich sehr zu wünschen übrig
lassen, in oberen Drehzahlbereichen aber abgeregelt, (Falli
nien 25) werden müssen, um die Brennkraftmaschine 1 nicht zu
gefährden. Ein optimaler Liefergrad für alle Lastbereiche der
Brennkraftmaschine 1 kann hier also nicht eingehalten werden,
weil, bedingt durch die Koppelung von Abgas- und Frischluft
turbine, diese mit zunehmendem Anfall an Abgas unkontrollier
bar in Bezug auf deren Liefergrad werden.
Würde man in dieses Diagramm die Funktion des Aufladers 2 ge
mäß der Erfindung an Hand einer Linie für dessen Füllungsgrad
17 eintragen, so könnte diese Linie nach einem steilen Anstieg
30, beginnend z.B., noch vor einer Drehzahl von 1000 1/min,
ihren Höchstwert, z.B. in Höhe des Bestwertes des Zellenrades
22, erreichen und diesen Wert über einen langen Fahrbereich,
wenn notwendig, aufrechterhalten, ggf. auch unabhängig vom
tatsächlichen Luftbedarf der Brennkraftmaschine 1. Das würde
bedeuten, daß der sogenannte "tote Raum" in der Aufladung be
kannter Lader 22, 23, 29 ausgefüllt werden könnte, so daß der
Auflader nicht nach einer Mindestdrehzahl von ca. 2000 1/min,
sondern schon viel früher wirken könnte.
Das dem Motor 4, nachgeschaltete Luftförderorgan 7 kann als
ein Schaufelradverdichter eine Turbine, ein Rootsgebläse oder
ähnliches ausgeführt sein, um bereits bei niedrigen Drehzahlen
hohe Luftmengen fördern zu können. Untersuchungen haben indes
sen ergeben, daß eine Maximaldrehzahl des Motors 4 von ca.
50000 1/min ausreichend ist, die erforderlichen Luftmengen
der Verbrennung zuzuführen. Geschwindigkeiten darüber sind
nicht unbedingt nötig, weil eine steilere Schaufelanstellung
schon bei dieser Geschwindigkeit oft auch darunter, die be
nötigte Luftmenge fördert.
Für die Funktion der erfindungsgemäßen Aufladung 2 ist es not
wendig, daß die von der Prozeßerfassung und -regelung 11 a er
mittelte Spannung und/oder Frequenz zur Einstellung der erfor
derlichen Drehzahl herangezogen wird, wobei die Drehzahl an
der Welle 6 des Luftförderorgans 7 für den erforderlichen Luft
durchsatz und Druck sorgt.
In den vorerwähnten Ausführungen sind der Generator 5 und der
Motor 4 für das Luftförderorgan 7 meistens Dreh- und/oder
Wechselstrommaschinen beschrieben. Dies schließt jedoch nicht
aus, auch andere Typen von Antrieben bzw. Stromerzeugern zu
verwenden. Entscheidend dabei ist für die Wahl solcher Antrie
be, daß sie nach den Verfahrensschritten insbesondere der die
ser Anmeldung zugrunde liegenden Ansprüchen betrieben werden
können, um den gewünschten Erfolg zu erzielen.
Claims (12)
1. Verfahren zum Fördern eines gasförmigen Mediums, insbe
sondere zum Aufladen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen,
wie Dieselmotoren, Ottomotoren u.a., wobei das Medium
der Atmosphäre entnommen, einer Verdichtung unterzogen
und anschließend entsprechend vorgegebener Fülltakte ei
ner Vermischung mit einem Kraftstoff, wie auch einer dar
auf folgende Verbrennung mit diesem zugeführt wird, und
bei welchem Verfahren die Menge des pro Fülltakt der Ver
mischung zuzuführenden Mediums von der Öffnungszeit einer
vom Fülltakt bestimmten und der Vermischung vorgeschal
teten Einlaßphase, insbesondere in Abhängigkeit eines Soll
wertes, bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) vor Einführung einer der jeweiligen Vermischung erfor derlichen Menge an Medium eine Erfassung und/oder Mes sung mindestens eines, in der Einlaßphase herrschenden Parameters vorgenommen wird,
- b) ein aus dieser Erfassung bzw. Messung ermittelter Wert einer elektronischen Prozeßerfassung und -regelung zu geführt wird, und ein dort erhaltenes, elektrisches Sig nal als Ausgangsgröße für eine Frequenz- und/oder Span nungsregelung dient,
- c) entsprechend der Größe dieses Signals eine elektrische Energieversorgung regelbar und diese Versorgung auf den erforderlichen Energiebedarf für die Förderung des Me diums ansteuerbar ist und
- d) der Energiebedarf für die Förderung des Mediums in Ab hängigkeit vom Fülltakt regelbar und auf das Maß der Aufbereitung des Mediums entsprechend festgelegter Para meter einstellbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Energieversorgung elektrisch erfolgt, und daß die
Menge der elektrischen Energie frequenzabhängig, ent
sprechend dem Bedarf an Medium pro Fülltakt, regelbar
ist und/oder diese sich danach einstellt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die jeweils gewünschte Menge an Medium durch eine Fre
quenzregelung der das Medium fördernden und/oder verdich
tenden Mittel erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die dem Prozeß entnommenen Signale zur frequenz- und/oder
spannungsabhängigen Einstellung der Förderleistung ein das
Medium fördernden Antrieb dienen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Förderung des Mediums für jeden Fülltakt einer konstant ge
haltenen Zeit unterliegt, und daß die Menge des pro Zeitkon
stante zu fördernden Mediums von der Änderung des Spannung
und/oder Frequenzverlaufes des fördernden Antriebes abhängig
ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Hochlauf des das Medium fördernden Antriebes aus dem Stand
durch eine Änderung dessen Spannungs- und/oder Frequenzver
laufes nach vorgegebener Zeitkonstante erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Hochlauf des das Medium fördernden Antriebes bei Drehzahl
änderung durch eine Änderung dessen Spannungs- und/oder Fre
quenzverlaufes nach vorgegebener Zeitkonstante erfolgt.
8. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach den An
sprüchen 1, bestehend aus mindestens einer der Förder
ung und/oder Verdichtung des Mediums dienenden und mit
einem Antrieb versehenen Luftförderorgan z.B. Turbine,
oder Gebläse, welches sowohl mit einem Ansaug- als auch
einem Druckstutzen für das Einführen und Ausführen des
Mediums ausgestattet und welches über dessen Druckstutz
en mit dem als Einlaßphase ausgebildeten Ansaugstutzen
einer in die Vermischung mündenden Kammer verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) der Antrieb des Luftförderungsorgans (7) als ein span nungs- und/oder frequenzgesteuerter, und/oder geregelter Motor Drehstrom, Wechselstrom oder Gleichstrommotor aus geführt ist,
- b) der Motor (4) des Luftförderorgans (7) über einen fre quenz- und/oder spannungsregelnden Umformer (11 b) Um richter, gesteuerter Gleichschalter mit elektrischer Energie versorgbar ist,
- c) für die elektrische Energieversorgung des Umformers (11 b) ein frequenzvariabler Generator (5, Dreh- oder Wechsel- stromgenerator) vorgeschaltet und dieser vom Verbrennungsmotor (1) antreibbar ist,
- d) im Ansaugstutzen (10) vor der in die Vermischung mün denden Kammer (9) eine Meßsonde (12) für die Erfassung mindestens eines Parameters vorgesehen ist, hingegen für die Erfassung weiterer Parameter zur Optimierung des Füllungsgrades (21) der Verbrennungskammer, insbe sondere entsprechend dem jeweiligen Fülltakt, weitere Signalaufnehmer, so etwa für Druck, Temperatur, Luft feuchte, Luftdichte, Gaspedalstellung u.a., als weitere Sonden (12) der Prozeßregelung (11 a) zugeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichent, daß
die Prozeßregelung (11 a) als ein elektrischer Regler aus
geführt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
am Generator (5) zusätzlich zur Energieversorgung von Um
former (11 b) und Motor (4) auch die elektrische Versor
gung des Bordnetztes der Brennkraftmaschinen (1) und/oder
des Fahrzeuges aufgeschlossen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
der Motor (4 Dreh- und Wechselstrommotor) für das Luft
förderorgan (7) als ein spannungs- und/oder frequenzge
steuerter bzw. geregelter Mittelfrequenzmotor ausgeführt
ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
der Motor (4) für das Luftförderorgan (7) als ein span
nungsgeregelter Gleichstrommotor ausgeführt ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863621445 DE3621445A1 (de) | 1985-06-26 | 1986-06-26 | Verfahren und vorrichtung zum foerdern eines gasfoermigen mediums, insbesondere zum aufladen von hubkolben-brennkraftmaschinen, wie dieselmotoren, ottomotoren u.a. |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3522764 | 1985-06-26 | ||
DE19863621445 DE3621445A1 (de) | 1985-06-26 | 1986-06-26 | Verfahren und vorrichtung zum foerdern eines gasfoermigen mediums, insbesondere zum aufladen von hubkolben-brennkraftmaschinen, wie dieselmotoren, ottomotoren u.a. |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3621445A1 true DE3621445A1 (de) | 1987-07-09 |
Family
ID=25833435
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19863621445 Withdrawn DE3621445A1 (de) | 1985-06-26 | 1986-06-26 | Verfahren und vorrichtung zum foerdern eines gasfoermigen mediums, insbesondere zum aufladen von hubkolben-brennkraftmaschinen, wie dieselmotoren, ottomotoren u.a. |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3621445A1 (de) |
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- 1986-06-26 DE DE19863621445 patent/DE3621445A1/de not_active Withdrawn
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